Генріх Герц: фізик, який довів існування електромагнітних хвиль
- Ігор Сальниченко
- 14 квіт. 2024 р.
- Читати 5 хв
Оновлено: 16 лют.
Ранні роки та формування науковця
Генріх Герц (1857–1894) народився 22 лютого 1857 року в місті Гамбург, яке на той час було одним із найважливіших торговельних центрів Німеччини. Його батько, Густав Фердинанд Герц (1827–1914), був успішним адвокатом і пізніше став сенатором Гамбурга, а мати, Анна Елізабет Пфефферкорн (1835–1910), походила з родини лікаря. Завдяки освіченому та забезпеченому середовищу, в якому зростав юний Генріх, він мав можливість отримати якісну початкову освіту і займатися різноманітними інтелектуальними та науковими зацікавленнями.
З дитинства Герц демонстрував особливий інтерес до точних наук, зокрема до механіки й фізичних експериментів. Зі спогадів сучасників відомо, що він із задоволенням конструював різноманітні прилади та моделі, розвиваючи логічне й аналітичне мислення. Окрім природничих наук, Генріх виявляв здібності й до мов: відомо, що в шкільні роки він вивчав арабську та санскрит, що свідчить про широту його інтелектуальних інтересів.
Початкову освіту він здобував у Гамбурзькій гімназії “Johanneum”, де глибоко вивчав математику та природничі науки. Здобувши прекрасні результати в шкільному навчанні, Герц вступив до Дрезденської політехнічної школи, а згодом продовжив навчання в Мюнхенському університеті, де почав спеціалізуватися на фізиці та суміжних дисциплінах. Проте вирішальний вплив на його подальшу наукову долю мав Університет Берліна, де він працював під керівництвом знаменитих учених:
• Герман фон Гельмгольц (1821–1894) – видатний фізик і фізіолог, чиї дослідження стосувалися збереження енергії, електромагнетизму та теорії сприйняття;
• Густав Роберт Кірхгоф (1824–1887) – автор законів електричних кіл та дослідник спектрального аналізу.
Під керівництвом Гельмгольца Герц зосередився на ретельному вивченні та практичній перевірці ідей Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879), який ще у 1860-х роках математично передбачив існування електромагнітних хвиль. На той момент у науковій спільноті Європи точилися дискусії про те, чи є світло та електрика різними явищами, чи все ж вони об’єднані єдиними фундаментальними законами природи. Молодий Герц був упевнений, що теорію Максвелла можна підтвердити експериментально, й невдовзі розпочав низку дослідів у лабораторіях Берліна.
Завдяки глибоким знанням теоретичної бази та винахідливості Герц продемонстрував видатні здібності експериментатора. У 1880 році він успішно захистив докторську дисертацію в Берліні, залишившись там деякий час як асистент Гельмгольца. Цей період став переломним у його кар’єрі: він набув досвіду постановки складних експериментів та розвинув уміння поєднувати теорію з практикою, що згодом зіграє ключову роль у відкритті електромагнітних хвиль.
Саме така синергія таланту, наполегливої праці та сприятливого академічного середовища дозволила Герцу перетворити ідеї Максвелла на реальні прилади для виявлення та дослідження електромагнітного випромінювання. Його наукове становлення припало на період бурхливого розвитку європейської науки, коли Німеччина була одним із провідних осередків дослідницької діяльності, а різні університети змагалися між собою за висококваліфіковані кадри та інноваційні винаходи.
Таким чином, фундаментальна освіта, отримана у провідних університетах, а також наставництво великих вчених дали Герцу міцний науковий ґрунт, на якому він вибудував свої історичні дослідження електромагнетизму. Уже в молоді роки він вирізнявся ґрунтовністю підходу й здатністю до творчого розв’язання складних наукових завдань. Це забезпечило йому заслужене місце серед найвідоміших фізиків свого часу й поставило на шлях до здійснення геніального відкриття, яке докорінно змінило світ науки і техніки.
Генріх Герц та дослідження електромагнітних хвиль
Унікальне підтвердження теорії Максвелла
У другій половині XIX століття, коли фізика перебувала на межі між класичними уявленнями та новою хвилею відкриттів, Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) висунув ідею, що світло, електрика та магнетизм – це різні прояви одного й того самого фундаментального явища: електромагнітного поля. Його “Трактат про електрику і магнетизм” (1873) та ключова робота “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field” (1865) стали теоретичною основою, яка припускала існування електромагнітних хвиль, здатних поширюватися у просторі з тією ж швидкістю, що й світло. Така гіпотеза перевертала уявлення про електричні та магнітні явища, однак вимагала експериментального підтвердження, якого впродовж певного часу ніхто не міг надати.
Іскровий генератор Герца: перший крок до революції
Саме Генріх Герц (1857–1894), маючи глибокі теоретичні знання, здобуті під наставництвом Германа фон Гельмгольца (1821–1894), узявся за практичну перевірку теорії Максвелла. У 1887–1888 роках він сконструював спеціальний іскровий генератор, який мав створювати потужні електричні розряди. Прилад складався зі спеціальної котушки індукції (для отримання високої напруги) та двох металічних куль, між якими проскакувала іскра. Виникаючий розряд випромінював електромагнітні хвилі у навколишній простір.
Щоби вловити та підтвердити існування цих хвиль, Герц розробив примітивний резонатор – замкнене металеве кільце з невеликим проміжком (іскровим зазором), здатним реєструвати електромагнітні коливання. Коли хвилі, згенеровані іскровим генератором, сягали резонатора, у вузькому зазорі виникала маленька іскра, помітна крізь лупу у темному приміщенні. Це було вражаючим доказом того, що:
• електромагнітні хвилі існують і поширюються в повітряному просторі;
• коливання, створені генератором, дійсно викликають вторинний резонанс у приймачі, аналогічно до того, як звукові хвилі можуть викликати резонанс в акустичній системі.
Властивості електромагнітних хвиль
Герц не просто “зловив” хвилі, а й продемонстрував, що вони підпорядковуються тим самим закономірностям, що й оптичні явища:
1. Відбиття (рефлексія): коли хвилі наштовхувалися на металеві поверхні, вони відбивалися так само, як світло від дзеркала.
2. Заломлення (рефракція): проходячи через різні середовища, електромагнітні хвилі змінювали напрямок поширення, подібно до променів світла в оптичній призмі.
3. Інтерференція: якщо скомпонувати два джерела хвиль та/або змінити відстань між генератором і резонатором, можна спостерігати зони підсилення та послаблення хвиль – тобто класичну інтерференційну картину, яку до цього часу асоціювали лише зі світлом або звуком.
Герц також провів серію дослідів, щоб виміряти швидкість поширення цих хвиль. Він дійшов висновку, що швидкість електромагнітних хвиль у повітрі близька до швидкості світла у вакуумі (~300 000 км/с). Така точна відповідність стала одним із найважливіших підтверджень справедливості рівнянь Максвелла, адже теоретично передбачена швидкість електромагнітних хвиль повністю збігалася з вимірами Герца.
Вплив і значення відкриття
Відкриття Генріха Герца у 1887–1888 роках стало справжнім проривом, адже воно показало, що теорія Максвелла не була просто математичною абстракцією, а реально відображала фундаментальні закони природи. Це миттєво змінило всю структуру фізичних досліджень кінця XIX – початку XX століття:
• Учені отримали експериментальне підтвердження, яке перевело аналіз електричних і магнітних явищ на новий рівень.
• Стало зрозуміло, що спектр електромагнітного випромінювання не обмежується лише радіохвилями чи світлом, а охоплює широкий діапазон – від низькочастотних коливань до рентгенівського й гамма-випромінювання.
• Ці результати надихнули наступників Герца, серед яких був Олександр Попов (1859–1906) і Гульєльмо Марконі (1874–1937), які розвинули ідею бездротового передавання сигналів і, власне, винайшли радіо.
Ці відкриття також пришвидшили розвиток теоретичної фізики, сприяючи пізніше виникненню квантової механіки та інших сучасних напрямів досліджень. Сама назва одиниці вимірювання частоти – “герц (Hz)” – стала відзнакою унікального внеску німецького фізика в науку та техніку.
Таким чином, дослідження Герца підтвердили, що всі електромагнітні явища мають єдину природу і підлягають одним і тим самим закономірностям. Без цих результів важко уявити собі розвиток сучасних бездротових технологій, систем зв’язку та розуміння фундаментальних процесів у фізиці.
Висновок
Генріх Герц не просто підтвердив передбачення Джеймса Клерка Максвелла, а й відкрив нову еру у фізиці та техніці. Демонструючи існування електромагнітних хвиль у лабораторних умовах, він довів, що електрика та магнетизм не є відокремленими явищами, а становлять єдине фундаментальне поле. Це відкриття стало міцним науковим підґрунтям для подальшого розвитку всієї бездротової комунікації – від радіо й телебачення до мобільного зв’язку і Wi-Fi.
Без внеску Герца неможливо уявити, як швидко людство оволоділо б технологіями передавання інформації на відстань. Його робота не лише дала поштовх винахідникам на кшталт Гульєльмо Марконі та Олександра Попова, а й уможливила появу сучасних систем зв’язку й електронних приладів, які стали невід’ємною частиноюнашого повсякденного життя. Тож прізвище Герц залишилося в історії науки не випадково: на честь цього видатного дослідника одиницю частоти назвали «герц» (Hz), вшановуючи геніальне відкриття, яке назавжди змінило сприйняття світу.
Джерела:
Максвелл Дж. К. A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1865. URL: https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstl.1865.0008 (дата звернення: 26.01.2025).
2. Герц Г. Ueber sehr schnelle elektrische Schwingungen // Annalen der Physik. 1887. URL: https://doi.org/10.1002/andp.18872691805 (дата звернення: 26.01.2025).
3. Гофманн Д. Heinrich Hertz: Classical Physicist, Modern Philosopher. Springer, 1998. URL: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-84385-9 (дата звернення: 26.01.2025).
4. Encyclopedia Britannica – стаття про Heinrich Hertz. URL: https://www.britannica.com/biography/Heinrich-Hertz(дата звернення: 26.01.2025).
Comments